Fortschrittliche Epoxidharze ebnen Weg für hochvolumige Composite-Fertigung

Dr. Nishar Hameed, Senior Research Fellow an der Swinburne University of Technology, hält einen 3D-gedruckten Screen-Prototyp in Swinburnes Factory of the Future. Foto: Swinburne University of Technology

Eine Herausforderung für Composite-3D-Druck und andere Fertigungsprozesse beim Skalieren auf höhere Volumen ist die Aushärtezeit von Composite-Bauteilen. Forschung an einem schnellaushärtenden, additivverstärkten Harzsystem könnte eine Lösung bieten.

Eine kürzlich veröffentlichte Studie von Forschern der Swinburne University of Technology (Melbourne, Australien) in Zusammenarbeit mit der Deakin University (Geelong, Australien) untersuchte Solvat-Ionenflüssigkeiten (SIL) – Additive, die ein Lösungsmittel mit einem Metallsalz kombinieren – als Katalysator für schnellere Aushärtung und niedrigere Aushärtetemperaturen bei Epoxidharzen. Andere Ionenflüssigkeiten werden bereits länger als Additive in Kunststoffen eingesetzt, SILs sind eine relativ neue Klasse und noch in Erforschung.

Für die Studie fügten die Forscher unterschiedliche Gewichtsanteile (1 % bis 20 %) von SILs in Kombination mit einem Härter in eine Epoxidmatrix ein und erhitzten auf Schmelzpunkt. Das Referenz-Epoxidsystem ohne Additive härtete in ca. 31 Minuten bei 100 °C aus; bereits 1 Gew.-% SIL-Additiv reduzierte die Aushärtezeit um 80 %, bei höheren Mengen noch weiter (siehe Abb. 1). Laut Studie zeigt dieser verstärkte Epoxidharztyp Potenzial für schnellere, hochvolumige 3D-Druck- und andere Composite-Fertigungsprozesse.

Schnellere Aushärtung war nicht die einzige beobachtete Eigenschaft. Laut Dr. Nishar Hameed, der das Projekt leitete und Co-Autor ist, wuchs diese Arbeit aus über 10-jähriger Forschung zu Wechselwirkungen von Ionenflüssigkeiten mit Epoxidharzen und anderen Polymeren. In seinen Initialforschungen suchte er nicht nach schneller Aushärtung, fand aber, dass Ionenflüssigkeitszugabe traditionell spröde Epoxidpolymere in flexible, formbare Materialien verwandelte (siehe Abb. 2).

„Wir fanden, dass Epoxid sich wie ein bei Raumtemperatur flexibles, duktiles Thermoplast oder dehnbares Elastomer verhalten kann“, sagt Hameed. „Mit experimentellem und theoretischem Ansatz identifizierten wir den reversiblen Ladungstransfermechanismus, der das Epoxidnetzwerk flexibel macht.“ (Siehe Abb. 3.)

Darauf aufbauend untersuchten Hameed und sein Team an Swinburnes mit Dr. Luke Hendersons Team an Deakin, ob Solvat-Ionenflüssigkeiten ähnliche Flexibilitätseigenschaften zeigen.

„Die Entdeckung des schnellen Aushärtungsverhaltens von Epoxid mit Solvat-Ionenflüssigkeit war zufällig“, gibt Hameed zu. Erste Versuche liefen „viel zu schnell“ – die Epoxide härteten viel schneller als normal und unerwartet. „Wir mussten dann mit verschiedenen Ionenflüssigkeiten, Konzentrationen und Prozessbedingungen arbeiten, um den Mechanismus des schnellen Aushärtens und die zugehörigen physikalischen Eigenschaften anzupassen.“

„Es gab eine 72-fache Steigerung der Aushärterate im Vergleich zum Referenzharz“, so Hameed, „und bei manchen Kompositionen war die Reaktion so extrem schnell, dass wir sie nicht messen konnten – Aushärtung war abgeschlossen, bevor wir testen konnten.“

Signifikant: Dieser Ansatz erhöht nicht nur die Aushärterate, sondern senkt auch die Aushärtetemperatur – was auf Energieeinsparungen in Fertigungsprozessen mit dieser Matrix hindeutet.

Zukünftige Anwendungen in der hochvolumigen Composite-Fertigung

Weitere Forschung ist nötig, bevor diese Harze das Labor verlassen. „Bevor wir kommerzielle Pfade betreten, müssen wir fundamentale Herausforderungen der schnellen Materialfertigung adressieren. Bei schnellaushärtenden Composites laufen Epoxid-Vernetzungsreaktionen innerhalb von Sekunden mit schnellen Heiz-Kühl-Zyklen und Form-Entform-Prozessen ab, was prozessinduzierte Spannungen erzeugt“, erklärt Hameed.

Zur Lösung arbeiten er und sein Team an einem kombinierten experimentellen und computergestützten Modellierungsansatz zur Identifikation und Minderung von Unvollkommenheiten. „Das ist kritisch für Integrität und Effizienz von Composite-Strukturen und zugehörigen Fertigungsprozessen.“

Zukünftig sieht Hameed Potenzial für SIL-verstärkte, schnellaushärtende Epoxide in der additiven Composite-Fertigung, die oft durch langsame Materialverarbeitung gebremst wird – eine Herausforderung, die schnellaushärtende Harze adressieren. „Wir entwickeln Formulierungen, die sich in Sekunden mittels Stereolithografie verfestigen lassen und so die Bauteilproduktionszeit beschleunigen.“

Weitere evaluierte Prozesse: Infusion, Resin Transfer Molding (RTM) und andere Automatisierungsformen, Anpassung an Prepreg-Systeme, Einsatz in schnelltrocknenden Epoxidfarben, Oberflächenbeschichtungen und Sizing. Die Flexibilität der Harzsysteme ermöglicht auch Thermoformen – typischerweise schwierig bei duroplastischen Composite-Laminaten.

„Additive Fertigung (inkl. Composite-Automatisierung) zusammen mit schnell verarbeitbaren Polymeren wird die Zukunft der hochvolumigen Composite-Fertigung sowie Serienfertigung von Composite-Bauteilen sein“, fügt er hinzu. „Schnellaushärtende Harze und Prepregs sind kritisch für diesen Ansatz, wo Materialien in Sekunden bereit sein müssen.“

Forschung läuft in Swinburnes Factory of the Future (3D-Druck, Rapid Prototyping) sowie in fortgeschrittener Oberflächenbeschichtungs-F&E am ARC Centre for Surface Engineering for Advanced Materials (ARC SEAM).

Hameed: „Dies wird Gelegenheit sein, Fähigkeiten und Expertise aus vielen Bereichen zusammenzubringen, um Fertigungsherausforderungen der Composite-Industrie anzugehen.“

Vollständige Ergebnisse und Findings in der Ausgabe vom 10. Juli 2020 von ACS Applied Polymer Materials.